Исследовательскую деятельность А. А. Борисяк начал в качестве геолога-стратиграфа в Донбассе. Результатом трехлетней работы в Донбассе были ряд статей и капитальная работа по геологическому строению северо-западной части Донбасса. В ней была подробно описана фауна беспозвоночных, населявших здесь юрское море, и восстановлены физико-географические условия Донбасса, начиная с мезозоя. На этой основе было дано объяснение происхождения осадков, слагающих ныне Донецкий кряж. Это была одна из первых работ подобного рода в отечественной литературе.

Тяжелая болезнь вынудила А. А. Борисяка перенести работу в Крым, а с 1912 г. совсем отказаться от личного участия в полевых работах. Однако еще в течение ряда лет А. А. Борисяк принимал деятельное участие в работах по изучению геологии Крыма, одним из лучших знатоков которой он стал.

Им были составлены стратиграфические разрезы для всего южного и частично северного берегов Крыма, дана отчетливая картина строения Таврических гор. А. А. Борисяком было установлено, что в формировании этих гор, как и всего южного берега Крыма, а также в поднятии всего полуострова вообще имели основное значение сбросы и сдвиги. Позднейшие исследования, принесшие обильный новый фактический материал, подтвердили схему А. А. Борисяка.

А. А. Борисяк впервые установил сильное развитие оползней и обвалов на южном берегу Крыма и выяснил их основные типы. Эти оползни и обвалы, важные не только в геологической истории, но и в экономической жизни Крыма, лишь после исследований А. А. Борисяка получили должную оценку.

В 1928 г. под редакцией А. А. Борисяка была издана десятиверстная геологическая карта Крыма, составленная им ранее совместно с академиком Н. И. Андрусовым и К. К. Фохтом.

Более 15 лет А. А. Борисяк посвятил приложению палеонтологии к определению возраста слоев земной коры, более 15 лет он возглавлял Палеонтологическую секцию Геологического комитета. Он ввел в практику распределение сборов ископаемых среди многих специалистов, создав коллектив палеонтологов около 100 человек. Это устранило многие несовершенства в обработке добываемых научных материалов (связанных с изучением одним и тем же палеонтологом всех ископаемых животных и растений из данного пласта) и привело к быстрой и более совершенной обработке сборов.

Необходимость развития палеонтологии как самостоятельной теоретической научной дисциплины, задачи которой определяются необходимостью всестороннего и углубленного изучения ископаемых организмов как биологических объектов, привела А. А. Борисяка к созданию в 1930 г. Палеозоологического (Палеонтологического) института в системе Отделения биологических наук Академии наук СССР. Задачей нового Института было изучение эволюции различных групп ископаемых организмов и ее закономерностей на основе детального знания строения, возрастных изменений, связи между индивидуальным развитием и историческим, изучения среды обитания и образа жизни ископаемых организмов и т. д.

До 1932 года возглавлял палеонтологический отдел Геологического комитета. С 1911 года – профессор и зав. кафедрой исторической геологии Ленинградского горного института, в 1939 -1942 гг. – руководитель основанной им кафедры палеонтологии Московского ун-та, в 1930 -1944 гг. – директор созданного по его инициативе Палеонтологического института АН СССР.

Основные научные работы посвящены общей и эволюционной палеонтологии, изучению юрских моллюсков. Описал новые роды и виды ископаемых млекопитающих, в частности олигоценового индрикотерия. Эволюцию организмов тесно связывал с развитием земной коры. Разработал теорию геосинклиналей, которая легла в основу понимания особенностей тектонической структуры земной коры и последовательности этапов ее развития. Организатор палеонтологических исследований в СССР.

В честь Борисяка названы

 Острова Борисяка – группа из восьми островов в архипелаге Земля Франца-Иосифа.

 Борисякия (Borissiakia betpakdalensis) – вымерший вид непарнокопытных.

Торакозавр (Thoracosaurus borissiaki) – меловой крокодил из Крыма.

 Палеонтологическому институту РАН было присвоено имя его основателя – академика А.А. Борисяка.

 Ученым советом ПИН учреждена высшая научная награда Института – медаль А.А. Борисяка «За заслуги в развитии палеонтологии».

А.А. Борисяк – автор около 270 публикаций, в том числе 31 монографии, основные:

• “Курс палеонтологии” (ч. 1-3, 1905-1919)
• “Курс исторической геологии” (4 изд., 1935)
• “Основные проблемы эволюционной палеонтологии” (1947) и др.

В 1943 г. А.А. Борисяку была присуждена Государственная (Сталинская) премия в размере 100 000 рублей за выдающиеся работы в области геологии и палеонтологии, которую он передал в Фонд обороны страны. Скончался ученый 25 февраля 1944 г. в Москве, похоронен на Новодевичьем кладбище.

В фондах Музея-заповедника героической обороны и освобождения Севастополя хранятся фотографии, документы, научные труды, личные вещи А.А. Борисяка, переданные его внучкой И.В. Бодылевской.